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浙江工业大学硕士学位论文 往复回转机械关键零部件疲劳断裂 计算方法研究和软件开发 摘要 往复回转机械广泛应用于生产、生活中，其关键零部件如曲轴、气缸体、气 缸套、连杆、活塞杆等，是各种类型活塞式压缩机、机车、坦克、汽车、拖拉机 和船用柴油机上使用极为广泛的重要机件，但往往是最有可能发生疲劳破坏的部 件。因曲轴、连杆、气缸套、气缸体等的断裂而产生的事故，在工程上是屡见不 鲜的。 本文研究了往复回转机械关键零部件疲劳断裂计算模型，获得了一系列计算 公式，能够进行往复回转机械关键零部件曲轴、气缸体、气缸套、连杆、活塞杆 的常规力学和疲劳断裂计算，还开发了往复回转机械关键零部件疲劳断裂计算软 件，为工程实际服务。开发的软件是以c + + b u i l d e r 6 0 为平台，采用了面向对象 的设计方法，将曲轴、气缸体和气缸套的常规力学计算和疲劳断裂计算通过计算 机来完成，具有计算功能强、计算方法灵活、速度快以及能完成人工无法完成的 计算等特点，并有很好的可移植性，可按需要进行模块的组合和调用；建立了基 于m ss q ls e r v e r 2 0 0 0 的材料常规力学性能数据库和疲劳断裂性能数据库，本数 据库收录了一百多种常用材料的常规力学性能数据和几十种常用材料的疲劳断 裂性能数据，基本满足了这些关键零部件的计算要求，同时数据库中的数据可随 实验数据的不断完善和新材料的出现加以更新和补充。最后，本文通过算例以及 对中国石化南京化学工业有限公司一进口b d c 压缩机六段缸体内埋藏裂纹的计 算和分析，对本文获得的计算模型做了验证，对开发的软件作了测试，结果表明 本文的研究对曲轴、气缸体及气缸套等零部件在复杂应力作用下的常规力学计算 和疲劳断裂计算问题都能得到较好的解决。 通过研究认为，往复回转机械关键零部件疲劳断裂计算方法研究及软件开 发对该类机械的设计、运行管理和安全分析，都有工程实际意义。 关键词：曲轴气缸活塞杆连杆疲劳断裂软件开发 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo nc a l c u l a t i n gm e t h o da n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t o ft h e k e ym e m b e r so fr e c i p r o c a t i n g m a c h i n e i n i nf a t i g u ea n df r a c t u r e a b s t r a c t r e c i p r o c a t i n gm a c h i n ew a sw i l d l yu s e e di no u rl i v e s s o m ek e ym e m b e r so f r e c i p r o c a t i n gm a c h i n ea r ec o m p l e xa n di m p o r t a n t , s u c ha sc r a n k s h a f t ，c y l i n d e rl i n e r a n dc y l i n d e rb l o c k ，c o n n e c t i n gr o da n dp i s t o nr o b ，w h i c ha r eu s u a l l ye m p l o y e di n v a r i o u s t y p e s o fp i s t o n c o m p r e s s o r s ，t a n k s ，c a r s ，t r a c t o r s ，l o c o m o t i v e s a n d s h i p b o a r d - t y p eo i le n g i n e s a n dag r e a tn u m b e ro fm a c h i n em e n t i o n e da b o v ea r ea l l a c t e du n d e r g o n et om a n y - s t a g eo rr a n d o ml o a d i n g ，s ot h ef a i l u r eo ft h e s ei sv e r y c o m m o n t h ea c c i d e n t sc a u s e db yf r a c t u r eo ft h e s ec o m p o n e n t sa r ec o m m o na f f a i ri n e n g l n e e n n g i nt h i s p a p e r , t h ef a t i g u ea n df r a c t u r em o l d e lo ft h e s ek e ym e m b e r so f r e c i p r o c a t i n gm a c h i n ew a sr e s e a r c h e d an u m b e ro fc a l c u l a t i n gf o r m u l a sw a r eg a v et o r e s o l v et 1 1 et r a d i t i o n a lm e c h a n i c sc a l c u l a t i o na n dm o d e mm e c h a n i c sc a l c u l a t i o no f t h e s ec o m p o n e n t s ，i n c l u d i n gc r a n k s h a f t ，c y l i n d e rl i n e ra n dc y l i n d e rb l o c k ，c o n n e c t i n g r o da n dp i s t o nr o b s o f t w a r eb a s e do nc + + b u i l d e r 6 0w a sd e v e l o p e d ，w h i c hc a nb e u s e dt oa n a l y s et h es t r e n g t ha n dl i f eo ft h e s ec o m p o n e n t s t h i ss o f t w a r eh a ss o m e r e m a r k a b l ec h a r a c t e r s ，f o re x a m p l e ，i th a ss t r o n g e ra n df a s t e rc a l c u l a t i n gf u n c t i o n ，a n d i t p e r m i t so p e r a t e rt o c h o o s es t r e s sc a l c u l a t i o no rs t r e s si n t e n s i t yf a c t o ro rl i f e c a l c u l a t i o nf l e x i b l y f u r t h e rm o r e ，i tc a nc o m p l e t et h ew o r kw h i c hc a n tb ed o n eb y m a n u a l ad a t a b a s eb a s e do nm ss q ls e r v e r 2 0 0 0w a sb u i l t ，w h i c hi n c l u d et h e t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lp r o p e r t yd a t aa n dt h em o d e mm e c h a n i c a lp r o p e r t yd a t ao f m a t e r i a lw a sg e n e r a l l yu s e di nr e c i p r o c a t i n gm a c h i n e i tp r o v i d e sm o r et h a no n e h u n d r e dk i n d so fm a t e r i a l st r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lp r o p e r t yd a t aa n dm o r et h a nt h i r t y k i n d so fm a t e r i a l sm o d e mm e c h a n i c a lp r o p e r t yd a t a a l lo ft h i si se n o u g hf o rt h e c a l c u l a t i o no fm a t e r i a lw a sc o m m o n l yu s e d a l s ot h e s ed a t ac a nb ea d d e da n d m o d i f i e dw i t ht h ei n c r e a s eo fm a t e r i a l sm e c h a n i c a lp r o p e r t yd a t a t h r o u g h ts o m e 浙江工业大学硕士学位论文 e x a m p l e s ，e x p e c i a l l yt h ec a l c u l a t i n ga n da n a l y s ef o rac y l i n d e rb l o c ko fap i s t o n c o m p r e s s o rt h a tw a si m p o r t e df r o ma m e r i c ab yn c i c ( s i n o p e cn a r o i n gc h e m i c a l i n d u s t r i a lc o l t d ) ，t h ea v a i l a b i l i t yo ft h ec a l c u l a t i n gm o d e lw a sp r o v e d a n d p r a c t i c a b i l i t yo ft h es o f t w a r ew a st e s t e d t h er e s u l t s h o w e dt h a tt h ea n a l y s ea n d c a l c u l a t i o no fc r a n k s h a f ta n dc y l i n d e ra c t e du n d e r g o n et om a n y - s t a g el o a d i n ga n d s u b j e c t e dt oc o m p l e xs t r e s ss t a t e sc a l lb ed o n ew e l l o n 也eb a s i so fs t u d y , t h ea u t h o rr e g a r d st h a tr e s e a r c ho nc a l c u l a t i n gm e t h o da n d s o f t w a r ed e v e l o p m e n ta b o u tk e ym e m b e r so fr e c i p r o c a t i n gm a c h i n ei nf a t i g u ea n d f r a c t u r ei sv a l u a b l e i tc a nb eu s e dt ot h ed e s i g n ，o p e r a t i o nm a n a g e m e n ta n ds a f e t y a n a l y s i so f t h e s ec o m p o n e n t s k e y w o r d s ：c r a n k s h a f t ；c y l i n d e r ；p i s t o nr o b ；c o n n e c t i n gr o d ；f a t i g u e a n d f r a c t u r e ；s o f t w a r ed e v e l e m e n t 浙江工业大学硕士学位论文 主要符号表 丁、t 作用在曲柄销上的切向力，n r ，、群 作用在曲柄销上的法向力，n r x 、r ：作用在曲柄销上的法向力，n、t 轴前端载荷，n g 轴端载荷，1 吨 m 砂第i 截面上绕y 轴弯矩，n m m m r 第i 截面上绕x 轴扭矩，n m m m输入扭矩，n m l i l m 。 第i 截面上绕z 轴弯矩，n m m q第i 截面上的轴力，n 第i 截面绕y 轴抗弯截面模数，m l t l 3 第i 截面绕z 轴抗弯截面模数，m m 3 睨 第i 截面绕x 轴抗扭截面模数，m m 34第i 截面的截面积，m m 2 系数，无量纲 o r 妒第i 截面绕y 轴的弯曲应力，m p a 第i 截面绕z 轴的弯曲应力，m p a 0第i 截面上的剪应力， v i p a 仃， 第i 截面上的总合成应力，m p a 【仃】材料的许用应力，m p a 刀， 第i 截面的安全系数 【n 】 许用安全系数 盯一l 材料的弯曲疲劳极限，m p a 仃胁 第i 截面处的弯曲应力副。m p a 第i 截面处的扭转应力副，m p a k 。 弯曲时曲轴的有效应力集中系数 k ， 扭转时曲轴的有效应力集中系数 占 曲轴的尺寸系数 k j混合型应力强度因子，御口石k 庀 静载荷作用下的断裂韧性，m p a 4 - m k 交变载荷作用下的断裂韧性，m p a - 石 m y波松系数 m o 应力强度修正因子 e ( k )第二类椭圆积分 m 2轴径曲率修正系数 r 曲轴颈半径 q裂纹形状系数 m l o1 3 = 0 时有限厚度修正系数。 t 含缺陷厚度 f ( - - a ) 角裂纹孔尺寸修正系数。 厂 v i 浙江工业大学硕士学位论文 a 裂纹深，唧 m 3 剪切时厚度修正系数 。扭转剪应力，m p a c 裂纹半长，i i i l l l k ， 孔边剪应力集中系数 m 。 扭转剪切厚度修正系数 口 斜裂纹倾斜角，口一般取4 5 。 圪 轴径几何形状系数x特性系数。 f 系数，m p a 4 - 磊 q 、 c 裂纹扩展的许用尺寸，唧 f 裂纹顶端曲率半径 n 曲轴寿命，周 v l i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 储戳：巾手 日期：如停t 月办日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密瓯在z 年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名 日期：文硌扫方口日 膨日期：夕多年多月芗夕日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 工程实际应用中的多数机械零部件承受的载荷都是随时间而变化的。零件和 构件在循环载荷作用下，在某个点或某些点逐渐产生局部的永久性的性能变化， 在一定循环次数后形成裂纹，并在载荷作用下继续扩展直到完全断裂的现象，称 为疲劳断裂或疲劳破坏。疲劳与断裂是引起工程结构和构件失效的最主要原因之 一，而疲劳破坏与传统的静强度破坏有着本质的区别。静强度破坏是由于零件的 危险截面的应力远大于其抗拉强度导致断裂失效或大于屈服点产生过大的残余 变形导致最终失效；而疲劳破坏是由于构件局部区域应力较大，在循环应力作用 下形成微裂纹，然后逐渐扩展成宏观裂纹，再进一步扩展而导致断裂。因此疲劳 破坏有着如下的特点【1 】： 1 、低应力性；在循环应力的最大值远低于材料的抗拉强度巩，甚至远小于 材料屈服极限点盯。的情况下，疲劳破坏就可能发生。 2 、突然性；不论是脆性材料还是延性材料，其疲劳断裂在宏观上均表现为 无明显塑性变形的脆性突然断裂，即疲劳断裂一般表现为低应力脆断。 3 、时间性；静强度破坏是在一次最大载荷作用下的破坏；疲劳破坏则是在 循环应力的多次反复作用下产生的，因而它要经历一定的时间，甚至很长的时间 才发生。 4 、敏感性：静强度破坏的抗力主要取决于材料本身；而疲劳破坏的抗力不 仅决定于材料本身，也对零件形态、表面状态、使用条件以及环境条件等很敏感。 5 、疲劳断口；疲劳破坏的宏观断口上，有着不同于其它破坏断口的显著特、 点，即存在着疲劳源( 或称疲劳核心) 、疲劳裂纹扩展区( 平滑、波纹状) 和瞬 断区( 粗粒状或纤维状) 。 由于疲劳断裂都是突然发生的，常常导致灾难性设备和人身事故，给社会 和生产带来巨大的损失。往复回转机械关键零部件往往可能发生疲劳破坏，如曲 轴、气缸体、汽缸套、连杆、活塞杆等，这些零部件是各种类型机车、坦克、汽 浙江工业大学硕士学位论文 车、压缩机、拖拉机和船用柴油机上使用极为广泛的重要机件。因曲轴、连杆、 气缸套、气缸体等的断裂而产生的事故，是工程中屡见不鲜的事。据1 9 8 2 年美 国统计，因交变载荷引起的疲劳断裂事故占机械结构失效的9 5 。美国国家标准 局研究报告指出，美国每年因断裂及防止断裂在经济上要付出1 1 9 0 亿美元的代 价，若能充分依靠科学的力量，将有一半的损失是可以避免的。这些断裂大多是 疲劳裂纹的不断扩展所致。然而从疲劳失效的特点可知含有裂纹的上述部件，在 一定的条件下，并不都将立即导致破坏，而是在使用一段时间后，甚至很长一段 时间后才发生突然断裂，如果能及时进行检测、计算、分析、评定，对机件充分 发挥应有的寿命，节约资金，确保安全运行，都是很有意义的工作；另一方面， 世界一些工业发达的国家，对重要的机械产品都要进行疲劳强度设计，把产品的 疲劳性能作为一项重要的技术指标。将疲劳分析方法引入构件的设计计算中，是 提高设计水平和产品质量的一个重要环节和必要的保证。尤其对于航空发动机、 汽车等对自重有较高要求的产品设计中，更可以起到减轻自重和确保使用期内安 全的作用。 对往复回转机械的疲劳断裂分析计算，往往不像航空机械、压力容器等受人 们重视。然而，往复回转机械关键零部件的受力特点和工作条件又往往比压力容 器复杂，其安全性同样不容忽视。它们大多处于高速循环的交变运动状态，受到 弯曲、扭转、剪切的作用，处在气体压力脉动循环等复杂的应力状态下工作，应 进行疲劳断裂分析计算，但目前国内外已有的文献资料介绍的计算公式和有关的 实验数据，往往只适用于简单应力状况下含裂纹构件的分析计算。基于这种情况， 在现有工作的基础上，研究并获得若干符合工程实际的计算模型，以适合于上述 关键部件在组合运动和复杂应力状态下的疲劳断裂分析计算，为往复机械安全分 析服务和安全运行提供科学依据；同时，若能进一步开发一套建立在对往复回转 机械常规计算( 热力计算、动力计算、常规强度计算) 基础上的疲劳断裂计算软 件，能对上述零部件的疲劳、断裂问题进行分析、计算和评定那将有更大的工程 实际意义【2 ，3 1 。 2 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 疲劳断裂问题及相关软件研究进展 1 2 1 疲劳断裂研究回顾 各种科学理论的产生和发展都依赖于实践，入类对疲劳断裂问题的研究也不 例外。十九世纪初，随着铁路运输的发展，机车车轴的疲劳破坏成为当时工程上 遇到的第一个疲劳强度问题。1 8 4 3 年，苏格兰入w j m ，兰金讨论了机车车轴的 破坏，认为是由于运动过程中金属性能逐渐变坏所致。他分析了车轴轴肩处尖角 的有害影响，指出加大轴肩圆角的半径可以提高其疲劳寿命。与此同时，英国成 立了一个委员会，调查用铁作为建造铁路桥梁材料的适用性，在对铸铁梁进行了 若干次试验后指出，梁在静载荷下，可以承受接近破坏的载荷达四年而不破坏， 但如果只用静破坏载荷的一半使梁反复弯曲，只承受1 0 0 0 次循环就断裂了。从 此机械构件的疲劳问题引起了人们的广泛关注。 直到1 9 世纪末，人们对疲劳破坏的机理还缺乏正确的认识。1 9 0 3 年，j a 尤因和j c w 汉弗莱对退火的瑞典铁进行了旋转弯曲疲劳试验。在试验过程中 用光学显微镜观察试样发现，在循环应力作用下晶体中产生滑移线，随循环数的 增加，滑移线逐渐变深、变宽，形成滑移带，并在某个晶体上首先出现开裂，再 在晶体之间联接起来形成一条长的连续的裂纹，最后导致破坏。这样就把疲劳破 坏与滑移联系了起来，对了解疲劳机理迈出了一大步。h j 高夫于1 9 2 4 年在伦 敦出版了一本金属疲劳的书，他在对多种纯金属的单晶进行了一系列试验的基础 上认为：疲劳破坏并不是在晶体上滑移及应变硬化的结果，而是由于在某些局部 区域应变超过了极限晶格应变，使原子键破坏及晶格中的不连续所引起的。随后 在金属疲劳方面发表过八十多篇论文，研究了弯曲和扭转同时作用的复合疲劳， 在疲劳机理方面做出了很大的贡献。 在第二次世界大战中，发生了很多起飞机疲劳失事事故。在动力机械等其他 领域中，也发生过各种各样的疲劳事故。这使得金属材料在循环应力作用下的疲 劳破坏成为突出的问题，于是发展了疲劳累计损伤理论，开展了有限寿命设计。 1 9 4 5 年美国人m a 迈因纳提出：损伤与应力循环数成线性关系。这就是著名的 迈因纳定律，它在疲劳寿命估算中得到了广泛的应用。此外，还出现了科尔顿一 多兰等非线性累计损伤理论。常规的疲劳设计公式，是由苏联人c b 谢联先在 浙江工业大学硕士学位论文 二十世纪四十年代根据等幅疲劳试验得到的应力一寿命曲线( s n 曲线) 推出的。 常规疲劳强度设计中假设材料是无缺陷的连续体，疲劳破坏的过程分为裂纹形 成、裂纹扩展和最后断裂三个阶段。但实际上材料中总是存在着裂纹或类裂纹的 缺陷，因此，断裂力学理论应用于疲劳强度设计，成为二十世纪六十年代疲劳强 度设计的发展方向之一。1 9 5 7 年g r 欧文研究了中心裂纹板在垂直于裂纹的方 向受拉伸的情况，在裂纹尖端附近弹性力学应力分析的基础上，把裂纹尺寸的平 方根和应力的乘积定义为应力强度因子。提出了线弹性断裂力学的断裂准则： k ， k j c( 1 1 ) 同年，美国人p c 帕里斯( p a r i s ) 提出，在循环载荷作用下，应力强度因 子的变化幅度，是控制构件疲劳裂纹扩展速率的基本参量，并于1 9 6 3 年提出了 著名的p a r i s 公式： 一 兰兰= c 欲”，( 1 2 ) d n 。 该公式在工程上被广泛用来估算裂纹的疲劳扩展寿命，现已应用于疲劳问题的各 个方面，如高周疲劳、低周疲劳、高温疲劳、和腐蚀疲劳等。 近年来，国际上许多学者和研究机构对疲劳断裂问题进行了迸一步的研究， 取得了诸多成果。f o r m a n 4 】等诸多科学家发展了p a r i s 公式，提出适用于中部区 和裂纹快速扩展区的疲劳裂纹扩展速率表达式，使其适合的范围和条件更广，同 时，对影响疲劳裂纹扩展速率的因素，以及影响p a r i s 公式中的指数和系数的因 素，包括内因和外因，都作了研究。国内，南京航空航天大学郭万林【5 j 对复杂环 境下的三维疲劳断裂问题作了较深入的研究，以三维弹塑性断裂理论为基础，对 复杂载荷、复杂环境作用下的金属材料和结构的疲劳、断裂的若干关键问题进行 了概要分析。给出了由材料性能试验的标准试样结果预测结构中一般形态缺陷的 三维破坏的最新结果，获得了对不同载荷条件下腐蚀疲劳裂纹扩展的统一描述， 对结构服役寿命日历寿命研究方法作了探讨。x m k o n g ，n s c h l u t e r , w d a h l 【6 j 提出三轴应力的影响并将之应用于断裂判据中。v g u k a d g a o n k e r ，p j a w a s a r e 7 】考虑到第1 、1 i 应力张量不变量而提出新的断裂准则。现在，对于非 金属工程材料的断裂与疲劳、疲劳短裂纹、裂纹闭合效应、蠕变裂纹的扩展、断 裂动力学、随机载荷下疲劳的可靠度等的研究越来越受到人们的注意。 4 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 2 疲劳断裂问题的主要计算方法 1 2 2 1 高周疲劳下的常规疲劳设计 一般把寿命高于1 0 5 次的疲劳，称为高周疲劳，高周疲劳通常发生在弹性变 形范围内，可以采用常规疲劳设计方法。常规疲劳设计方法假定零部件没有初始 裂纹，应用标准试样疲劳试验得到的材料的s - n 曲线等性能数据，通过修正系数 反映零部件尺寸，表面状态和应力集中等因素的影响。图卜1 为以对数坐标画得 的s n 曲线，该曲线一般是由两直线组成的折线，两直线交点的横坐标n o 称为 循环基数。两直线交点的纵坐标即为疲劳极限盯一。斜直线的倾斜角度表示材料 的抗疲劳性能，斜直线的方程式为盯，f = c ，式中m 和c 是材料常数，与材料 性质、试样形式和加载方式有关。按图中水平线部分进行的设计称为无限寿命设 计，按斜线部分进行的设计称为有限寿命设计。 n o n 图1 1 双对数坐标的s i n 曲线 无限寿命设计适用于要求零部件或结构在无限长的使用期内不发生疲劳破 坏的情形。s - n 曲线的水平段表明，在低于疲劳极限的循环应力下零部件的疲劳 寿命是无限的。因此将零部件或结构的工作应力限制在疲劳极限以下，就可以认 为零部件或结构的寿命在理论上是无限的。在单向弯曲或拉压应力，恒幅不对称 循环状态下，可用式1 - 3 计算出该受力状态下的安全系数，当满足式1 - 4 的判定 条件时认为构件寿命满足无限寿命的要求。 驴蠹 p u 一” ( 1 - 3 ) 浙江工业大学硕士学位论文 n 口 丰富的材料性能数据库f e f a t i g u e 包含了一个材料疲劳性能数据库，包 括2 0 0 多种标准材料的疲劳性能数据，同时允许用户自己添加材料数据。它的分 析模块可以快速的评价由于材料的改变或构件表面状况的改变，对疲劳寿命的影 响。 扛i 业 # m 十 位论i 应变分析和应力分析方法它包古多样化的s n 和s n 曲线，以适应不 同应力水平下的分析计算。还提供了多种计算t 具，可以完成多级载荷、非线性 分析。 温度补偿材料的疲劳特性总是受温度的影响，f e f a t i g u e 提供了种方 式对此加以补偿。它通过用户修l e 材料的s 一和一n 曲线，从而获得材料在 温度分布载荷影响下的疲劳寿命。 12 3 2 m s c f a t i g u e m s cf a t i g u e 是m s cs o f t w a r e 公司与其合作伙伴n c o d e 合作儿发的。，用 m s cp a v a n 作为m s c f a t i g u e 分析的前后处理= 具。目前，m s cf a t i g u e 软件已 经在我国的汽车、航空、航天、电子、土木工程、通用机械、核能、铁道祁石油 化工等领域得到广泛的应用。可用于结构的初始裂纹分析、裂纹扩展分析、应力 寿命分析、焊接寿命分析、整体寿命预估分析、疲劳优化设计、振动疲劳分析， 多轴疲劳分析、点焊疲劳分析。同时该戟件还_ i i j 有丰富的疲劳断裂相关材料库、 疲劳载荷和时问历程席等，能够可视化疲劳分析的各类损伤、寿命结果。其产品 解决方案如图卜4 所不： 敏髻 。一， 莲_ i 赫剥 茎| 毽岁l i罐i - k - j 、7 罔i 4 m s cf a i l 驯c 广品斛巩方案 浙江工业大学硕士学位论文 其主要特征如下【1 6 】： 根据s - n 曲线进行全寿命分析这是最传统的寿命分析，它以材料或零 件的应力为基础，采用雨流循环计数法和p a l m g r e n m i n e r 线性累计损伤理论， 进行全寿命分析。它也能对材料在一系列循环载荷作用下各部位的损伤度，剩余 寿命加以评价。 根据s n 曲线进行裂纹萌生寿命分析这种方法就是前述的局部应力 应变法，它用循环应力一应变模型和n e u b e r 法进行寿命分析。可以调整平均应力 法修正，根据关键点的应变来预测疲劳寿命。 根据线弹性破坏力学进行裂纹扩展分析这是建立在线弹性破坏力学 ( l e f m ) 理论基础上的预测裂纹扩展的方法，一般是用于结构的损伤容限设计。 它根据线弹性破坏力学和由于过载、化学环境的影响、载荷比、及载荷历程的影 响引起的裂纹闭合的循环次循环模型进行裂纹扩展分析。该软件可以在线演示 裂纹扩展速率的进程报告。 利用裂纹萌生和总寿命分析方法进行结构设计的无限寿命安全分析 焊接和点焊疲劳寿命分析用英国标准b s 7 6 0 8 ，包括焊接分类的设计规 范中定义的总体寿命分析方法进行钢材或铝合金焊接结构的疲劳分析。 先进的多轴疲劳分析 当含有复杂的多轴载荷时，双轴分析特征可有助 于确定必要的疲劳分析方法。可以对比例载荷进行修正，如果是非线性载荷可以 考虑由专门独立的模块来计算。 丰富的疲劳材料数据库和载荷时间历程数据库管理器m s c f a t i g u e 有 丰富的材料数据库，带有图形显示、输入和编辑以及检索功能；能创建、处理和 显示材料数据，可由用户自己添加材料数据。 1 2 3 3 现有软件的特点 基于有限元技术借助计算机和计算数学的理论成果，运用数值方法来 进行求解，能完成大型三维构件的损伤、疲劳、断裂分析。与基于试验的传统方 法相比，有限元疲劳仿真计算能够提供零部件表面的疲劳寿命分布，可以在设计 阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱位置，通过修改设计可以预先避免不合理的寿命 浙江工业大学硕士学位论文 分布。因此，它能够减少试验样机的数量，缩短产品的开发周期，进而降低开发 成本，提高市场竞争力。 应用门槛高上述大型有限元计算软件在国际国内得到广泛的使用。但 是，一方面其昂贵的价格和使用成本使诸多企业却步，尤其在国内更是如此，如 国内m s c f a t i g u e 的用户主要集中在航空航天、汽车、核能、兵器、铁道和部分 大型石化企业等十分重要的工业领域。另一方面该类软件对操作者的专业知识要 求较高，除了要有相关的专业基础知识外，大多还要经过专门培训才能基本掌握 该软件的使用。进一步讲，对有限元计算结果是否正确的分析和认定更是需要一 定的工程实际经验和软件使用经验。该两款软件尚无中文操作界面，因此对国内 用户很好的使用该类软件带来不便。 有丰富的材料性能参数数据库但该材料参数均来源于国外材料的测试 结果，国内用户不能直接使用其数据进行分析。 1 3 本文研究的主要内容 针对上述情况，本文研究的主要内容有： l 、以国内外公开发表过的论文和相关成果为基础，对目前往复回转机械关 键零部件疲劳断裂计算中采用的各种计算方法进行分析和比较，归纳其差异及优 缺点，选择出具代表性的、考虑了复杂受力状况的、更接近工程实际情况的计算 模型作为计算软件所需的算法。在进行某些简化、修正和推算后，建立往复回转 机械关键零部件疲劳断裂计算的系列模型，使其适合于设计、检测、评定等技术 人员方便使用。 2 、开发一套往复回转机械关键零部件疲劳断裂计算软件。该软件是以c 抖 b u i l d e r 6 0 为开发平台，采用面向对象的设计方法。用户能方便地进行强度校核 和寿命计算，计算后得到的结果以表格等直观的形式呈现在用户面前，原始数据 和结果都可存入历史数据库便于以后查询和分析。 3 、建立一个基于m ss q ls e r v e r 2 0 0 0 的材料性能数据库。本数据库收录了 关键零部件常用材料的常规性能数据和疲劳断裂性能数据，方便程序查询和调 用，能基本满足常用材料构件的计算要求。同时，将计算中所需的图、表写入数 据库，所需参量都可通过用户输入或从数据库中直接读取，所有原先人工的查表 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 计算工作都用计算机程序运行来取代，使计算软件具备很大的灵活性和实用性。 同时数据库中的数据可随实验数据的不断完善和新材料的出现加以更新和补充。 4 、对开发的疲劳断裂计算软件进行实例验证。通过算例及对某一进口b d c 压缩机六段缸体内埋藏裂纹的计算和分析，验证软件的各项功能。 本论文完成了曲轴、气缸疲劳断裂模块的开发，实现了预期的主要功能。开 发的软件通过实例计算表明，可较好地满足曲轴、气缸体和气缸套的常规强度计 算、损伤计算、断裂力学裂纹扩展计算和寿命计算等工程实际的要求。 1 5 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章曲轴和气缸疲劳断裂计算模型 在往复回转机械中，曲轴受到十分复杂的反复循环载荷，如气缸内气体压力、 往复运动质量的惯性力、回转质量的离心力等，这些力在曲轴上形成弯矩和扭矩， 产生弯曲应力和剪切应力。在应力集中部位，如轴径油孔处、轴径圆角处等部位 的应力剧增，极容易产生疲劳而出现裂纹，最终导致断裂。为了防止过渡区的应 力集中，蓝轴在设计过程中，虽然采取增加过渡圆角等手段来防止破坏发生。但 实际上曲轴断裂事故还是时有发生。 关于曲轴断裂【1 7 。2 1 】的问题，早在本世纪3 0 年代就有不少研究报告出现，但 主要限于是发动机行业。船用柴油机增压技术的使用使衄轴负荷增大1 5 倍以上， 曲轴强度的矛盾突出，引起了船用柴油机曲轴强度的研究高潮。德、日、苏及英 美等国均有代表性的研究报告发表，而且将研究结果应用于实际。概括起来，这 一时期的研究大致分为两类：一类是试验研究( 参数试验法) 【2 2 彩】，探讨曲轴主 要结构参数对强度的影响，主要方法是通过曲轴模型的参数变化得到系统的试验 曲线，而且还可以归纳整理成近似计算公式，形成计算方法；另一类是分析计算， 论文很多。由于试验研究需要花费很长时间和高昂费用，而且一根曲轴的试验， 也不能说明整批曲轴的强度。另外，试验研究只能在己制成的曲轴上进行，设计 阶段则无法进行。因此人们很早就致力于用分析计算的方法研究曲轴强度。然而 曲轴强度的计算非常困难。一方面曲轴工作应力的准确计算非常困难：曲轴承受 弯曲、扭转和振动等多种载荷；曲轴形状十分复杂，应力集中严重；轴承的不同 心度及工作状态下的机体的变形、轴颈与轴承之间的间隙和油膜状况都影响曲轴 的受力，并涉及到许多互相关联制约的因素。另一方面，曲轴的强度校核也比较 困难，特别是采用工艺强化措施后，其效果的定量描述难以确定。己有的曲轴强 度计算都归结为疲劳强度计算，其计算步骤分为以下两步：首先是应力计算，求 出曲轴危险部位( 轴颈与曲柄的过渡圆角处和轴颈油孔附近) 的应力幅和平均应 力：其次是进行疲劳强度计算。本文在此基础上做了进一步的分析，结合常用曲 轴材料的特点，基于工程应用上比较成熟的线弹性断裂力学理论，给出了能在工 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 程上应用的，比较简单的计算模型。 2 2 曲轴计算模型 2 2 1 常规力学计算 曲轴有两种基本型式，即曲柄轴和曲拐轴。曲柄轴结构见图2 1 a ，它连同电 机轴一起，一般只有两个主轴承，对于支承偏斜不敏感，便于曲轴安装。由于曲 柄轴的曲柄销是外伸梁，使连杆结构简单，安装方便，但是采用曲柄轴的压缩机， 一般只能取卧式型式，致使机器笨重，基础庞大。目前新设计的机械，除微型压 缩机和超高压压缩机等特殊情形外，已极少采用曲柄轴。曲拐轴结构见图2 一l b ， 它在制造安装方面，虽较曲柄轴为差，但是采用曲拐轴的压缩机，可以实现对称 平衡式、角式、立式等多种型式，是压缩机结构紧凑，重量轻；此外，采用曲拐 轴的压缩机，在气缸列数设置方面几乎不受限制，便于满足流程要求。因此，绝 大多数压缩机均采用曲拐轴。其余各种往复回转机械，如汽车、航空发动机，汽 轮机等得曲轴多为曲拐轴，故本计算以曲拐轴为准【2 5 1 。 厂 1 一 ， ， e 歪；车 a ) 曲柄轴 ”曲拐轴 图2 1 曲轴的典型结构 为使计算简便，对曲轴的受力情况作如下简化：1 ) 对于多支承曲轴，作为 在主轴承中点处被切开的分段简支梁考虑；2 ) 连杆力集中作用在曲柄销中点处。 作如上简化后，曲拐轴的计算简图可归纳为单拐和双拐进行，如图2 2 所示。 2 2 1 1 常规静强度计算 图2 - 2 中，丁、r 7 为作用在曲柄销上的切向力；r ，、为作用在曲柄销上 的法向力：e 、c 为轴前端载荷沿坐标方向的分量；砂、月：、缈、虎、。，、 。 ， l j 浙江工业大学硕士学位论文 a ) 单拐轴 h 67 r i ， r 。 十 、，l竺竺 1 3 詈a l 警 li n e ： o fj a ：厂2 轴4 i 弛 王 、 跑j 摹 一? r 卟j ， y q 4 y ， fy 季三 j n cz 671 。旦 ： t , l c y - c d ，一一 ! l c i = 4 u 、h列 f 1 ： 一 f i 瞳； 1 j 己 j 1 0 划b r 。 h o fp d 一 一 bi1 1 0d 鲷留鲴留勉留 b ) 双拐轴 图2 - 2 曲轴计算简图 + m 。 图2 3曲轴内力正负号的规定 ) + m ： + 【 z 岁y em r o 寸气 h e 浙江工业大学硕士学位论文 以，为a 、b 、c 三个主轴承处支反力沿坐标方向的分量；m 为输入扭矩；m o 为 相邻一跨传来的阻力扭矩。假定曲柄销载荷只由轴承b 和轴承c 支持，轴前端 载荷只由轴承a 和轴承c 支持，于是，可按静定梁计算各主轴承支反力，并进 一步由平衡方程式解出曲轴各个截面上的弯矩、扭矩、轴力。各主轴承支反力的 计算公式列在表2 1 在中，曲轴各截面的弯矩、扭矩、轴力计算公式列在表2 2 中，正、负号的规定见图2 3 。 从图2 2 中可看出，在双拐轴中，当尺寸，= 0 ，或角度妒= 0 ，就是对称平衡 式的情形；当尺寸e = 0 就是只有一个端轴承，并且考虑轴前端载荷的情形，此 时右端支反力为a 、b 之和；当作用力f = o ，就是轴前端载荷较小，可以略去， 或者没有轴前端载荷的情形。其中，轴前端载荷f 通常是指轴前悬挂物体的重量， 在皮带传动或采用悬挂电机结构的情形，应把皮带拉力或磁拉力也计入。 在求得上述各支撑反力以及各截面的弯矩、扭矩、轴力后，对于曲轴颈和曲 柄各截面的静强度校核按式2 1 进行： 口：下昙每m 口= 芦= = 兰= = 2 i 刀i 盯2 + 4 f 2 ( 2 - 1 ) 式中：仃一i 曲轴材料的对称弯曲疲劳极限； 仃危险截面处的正应力； f 危险截面处的剪应力； 【n 】许用安系数， n 】= 3 5 5 。 当材料组织均匀程度、力学性能稳定程度较差，轴颈与曲柄问过渡圆角较小 和被校核截面处的表面光洁度较差时，安全系数应取较大值。 在校核截面处应力的计算中，对于轴径用式2 2 a 、2 2 b 进行： 仃：掣 ( 2 - 2 a ) 矿。 f ：等 ( 2 - 2 b ) f = l i) 矿 、。 曲柄的应力校核较为复杂，当截面为矩形时，要校核：( 1 ) 截面短轴端点；( 2 ) 截面长轴端点；( 3 ) 矩形角点。当截面为椭圆形时，要校核：( 1 ) 截面短轴端点； 1 9 浙江工业大学硕士学位论文 小 i d 、iq + 寸 im 飞i + lq + h 舡 i 鬈 毽lq i h i l g h o ui k + 吣 鼍 蜀c 、 i b + 邑 旺 豫 h ， 卜二、l q 麓 h | q 2 ( = 吣 笤 ， ：v 吣 q _ n q 2 、- 乌 吣 们 d l n o u i d 自 、i i iq 飞 q l + 一 h o 由i q + iq i 毽l毽 li g q o u h + j 哂 目 q ： i 右 、 叻 卜q l q 、 惯